JP2023120485A - 振動伝搬部材、およびこれを用いた送受波器、流速計、流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構造で超音波の指向性を制御可能な振動伝搬部材、及び送受波器を提供すること。【解決手段】天板２と底板３の間に異なる厚みを有する複数の隔壁６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂを配置して振動伝搬部材を構成し、底板３に振動体１６を配置して送受波器とする。振動体１６の隔壁を伝わる速度が隔壁の厚みが厚いほど早いことを利用して、天板２から送出される振動の位相に差を持たせ、これにより、天板２から位相の異なる波面１７，１８，１９を形成し、その包絡線２０に垂直な方向へ超音波を送出する事ができる。【選択図】図４

Description

本発明は、振動手段に接合して動作する振動伝搬部材およびこれを用いた送受波器、流速計、流量計に関するものである。

超音波振動子から送出される超音波の指向性制御についてはさまざまな分野での要請がある。従来、超音波流量計においても、超音波の指向性を制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された超音波振動子の概略構成図である。図６において、超音波振動子１０１は、３つの矩形状の振動部分１０２，１０３，１０４により構成されている。この振動部分１０２，１０３，１０４は、ＰＺＴ、ＰＶＤＦなどの圧電材料で構成されている。

それぞれの振動部分１０２，１０３，１０４の上部には、電極１０２ａ、１０３ａ、１０４ａが形成されている。また、それぞれの振動部分１０２，１０３，１０４の下部にも焼き付け銀電極などの電極１０２ｂ、１０３ｂ、１０３ｃ（図示せず）が形成されている。そして、それぞれの電極には、独立に電力を供給できる駆動電源１０２ｃ、１０３ｃ、１０４ｃが、リード線１０２ｄ、１０３ｄ、１０４ｄとリード線１０２ｅ、１０３ｅ、１０４ｅを介して接続されている。

このような構成において、３つの独立した駆動電源１０２ｃ、１０３ｃ、１０４ｃを用いて、二分の一波長以内の位相差で、３つの振動部分１０２，１０３，１０４を順次駆動すると、空間的な強度分布は、全体の超音波送出方向の基準軸を、自由に、任意の方向にずらすことができ、指向性の制御ができる。

特開平９－２６３４２号公報

しかしながら、特許文献１における従来の構成では、複数の振動部分１０２，１０３，１０４と、それぞれに設けた個別の駆動電源１０２ｃ、１０３ｃ、１０４ｃが必要とされるものであり、構成部品が多くなると共に、構成も複雑になるという課題を有するものであった。

本発明は、上記課題に対応するものであり、振動伝搬部材に複数の膜構造を構成し、複数の膜構造の振動に位相差を発生させ、位相差により、超音波の進行方向を任意の角度に設定可能とすることにより、少ない部品点数で超音波の指向性制御を行うことを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の振動伝搬部材は、振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、天板と、側壁と、前記天板に対して概垂直に配置した隔壁とで形成され、前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、前記隔壁の厚みを変化させることにより前記複数の膜構造の振動に位相差を発生さ
せ、前記位相差により、前記複数の膜構造より送出される超音波の進行方向を前記天板に対して任意の角度に設定可能とすることにより、少ない部品点数で超音波の指向性制御を行うことができるものである。

本発明の振動伝搬部材は、超音波の進行方向を任意の角度に設定可能とすることにより、少ない部品点数で超音波の指向性制御を行うことができるものである。また、その振動伝搬部材に振動体を接合して超音波送受波器として超音波流量計に用いることにより、超音波送受波器の送受波面を被計測流体が流れる流路の管壁と面一に取付けることが可能となり、誤差の少ない流量計を構成することができるものである。

本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の分解斜視図 本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の断面図 本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の形成方法を示す図 本発明の実施の形態２における送受波器の断面図 本発明の実施の形態３における超音波流量計の構成図 従来の超音波振動子の概略構成図

第１の発明は、振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、天板と、側壁と、前記天板に対して概垂直に配置した隔壁とで形成され、前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、前記隔壁の厚みを変化させることにより前記複数の膜構造の振動に位相差を発生させ、前記位相差により、前記複数の膜構造より送出される超音波の進行方向を前記天板に対して任意の角度に設定可能とすることにより、一つの振動伝搬部材で超音波の指向性制御を行うことができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記隔壁は、厚みを順次変化させたことを特徴とするものである。

第３の発明は、振動体と、前記振動体の一つの面に接合した第１又は２の発明の振動伝搬部材とを備える送受波器としたことにより、一つの振動体と一つの振動伝搬部材で超音波の指向性制御を行うことができる。

第４の発明は、被計測流体を通じる流路と、前記流路の上流と下流に取り付けられた第３の発明の一対の送受波器と、前記送受波器間の超音波の伝搬時間を計時する計時装置と、前記計時装置により求めた伝搬時間より、前記被計測流体の流速、流量を演算する演算部と、を備えることにより、超音波送受波器の送受波面を被計測流体が流れる流路の管壁と面一に取付けることが可能となり、誤差の少ない流量計を構成することができる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図２を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における振動伝搬部材の分解斜視図である。図１に示す様に、振動伝搬部材１は、天板２，底板３と、側壁４，５により囲まれた空間において、天板２、および底板３に対し、略垂直に配置された複数の隔壁６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂにより構成されている。

図１では、振動伝搬部材１の内部構造を分かり易くするため、底板３、および側壁５を取り外した配置として示している。このような構成により、天板２は、隔壁６ａ，６ｂにより区画された膜面９と、隔壁７ａ，７ｂにより区画された膜面１０と、隔壁８ａ，８ｂにより区画された膜面１１とに分割される。

図２は、図１における振動伝搬部材１の断面を示したものである。図２（ａ）は、図１のＡＡ’水平断面であり、図２（ｂ）は、図１のＢＢ’垂直断面である。図２（ａ）に示すように、膜面９、膜面１０、膜面１１のそれぞれの長さ（Ｍａ，Ｍｂ、Ｍｃ）はほぼ等しく、その幅（Ｗ）は一定である。

一方、図２（ｂ）に示すように、隔壁６ａ，６ｂ、隔壁７ａ，７ｂ、隔壁８ａ，８ｂの高さＨは等しいが、隔壁６ａ，６ｂの厚さＬａ、隔壁７ａ，７ｂの厚さＬｂ、隔壁８ａ，８ｂの厚さＬｃは、下記の様な関係を有するように設定されている。

Ｌａ ＞ Ｌｂ ＞ Ｌｃ
これにより、振動伝搬部材１は、隔壁６ａ，６ｂ、および膜面９で構成される膜構造１２、隔壁７ａ，７ｂ、および膜面１０で構成される膜構造１３、隔壁８ａ，８ｂ、および膜面１１で構成される膜構造１４の３つの膜構造（それぞれ一点鎖線で示す）の振動部分を有することになる。

これら膜構造１２，１３，１４の共振周波数は、隔壁の厚さＬａ，Ｌｂ，Ｌｃにより若干影響を受けることがあるが、その場合は、膜面の長さＭａ，Ｍｂ，Ｍｃで微調整を行うことができるものである。

なお、図１では、振動伝搬部材１を天板２，底板３，側壁４，５、および隔壁６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂとして、それぞれを別部材とする構成を示したが、図３に示す様に、金属（例えば、ＳＵＳ）の薄板をエッチングで所定の形状に形成した中間板５４を複数枚積層して隔壁と側壁を形成し、その上下に天板５２と底板５３とを更に積層することで、振動伝搬部材５１とすることもできる。

この振動伝搬部材の動作説明は、次の実施の形態２の動作説明にて行う。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図４を用いて説明する。

図４は送受波器１５の断面図を示したものである。送受波器１５は、実施の形態１にて説明した振動伝搬部材１の底板３に、振動体１６を取付けたものである。振動体１６は、例えば圧電体などである。振動伝搬部材１は、実施の形態１と同じものゆえ、図１，２と同じものには同じ番号を付している。

次に、この送受波器の動作を図４を用いて説明する。

今、振動体１６からの一定の周波数からなる振動が底板３を介して供給されると、振動
はそれぞれ、隔壁６ａ，６ｂ、隔壁７ａ，７ｂ、隔壁８ａ，８ｂを介して天板２に伝達される。即ち、図２（ｂ）で示す膜構造１２，１３，１４毎に天板２に伝搬する。この時、先に述べた様に隔壁の厚さが異なるので、隔壁を伝搬する速度が、振動波の板波効果で変化する。壁厚が大きくなるほど、伝搬速度も大きくなる。従って、この隔壁の中で最も厚い隔壁６ａ，６ｂを伝搬する振動が最も早く膜面９に到達する。

次に、隔壁７ａ，７ｂを伝搬する振動が膜面１０に伝搬する。最後に、隔壁８ａ，８ｂを伝搬する振動が膜面１１に伝搬する。

従って、膜構造１２で構成される膜面９、膜構造１３で構成される膜面１０、膜構造１４で構成される膜面１１が、順に振動体１６から供給される振動により、振動することになり、結果として、膜面９，１０，１１から放出される超音波に時間差（位相差）が発生することになる。

円弧状の波面１７，１８，１９は、ある瞬間において、それぞれ、膜面９，１０，１１から放出された超音波の先頭波面の状態を示す。そして、波面１７，１８，１９の包絡線２０に垂直な太い矢印Ｕが天板２から放出される超音波全体の伝搬方向となる。

以上は、送受波器１５を超音波の送波用に用いた場合であるが、受波用に用いた場合でも、隔壁の厚みと伝搬速度の関係は変わらないので、厚みによる位相差を考慮して考えればよい。つまり、図４において、膜面への超音波の到達時間順序として、膜面１１，１０，９の順にすることにより振動体１６での振動位相を揃えることができる。本送受波器１５を一対の送受波器として用いる場合には、図５に示す様に、お互いの左右方向の向きを逆にして配置することで、一方の送受波器（超音波送受波器２３）から送波された超音波を他方の送受波器（超音波送受波器２４）で受波することができる。詳細は実施の形態３で述べる。

なお、図２（ａ）において、隔壁６ｂと、隔壁７ａの間、また、隔壁７ｂと、隔壁８ａの間にも幅Ｎ１、Ｎ２の部分が存在するが、これらの幅を膜面９，１０，１１のそれぞれの長さＭａ，Ｍｃ，Ｍｃより十分小さくしておけば、この部分から送出される波面は無視することができるものである。

以上、説明したように隔壁の厚みを制御することにより、隔壁を伝搬する振動の速度を制御することができ、その結果、天板から放出する超音波の指向性を制御することができる。すなわち、超音波の進行方向（矢印Ｕ）の天板２に対する傾斜角αを制御することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３について、図５を用いて説明する。

図５は、本発明の実施の形態３における超音波流量計２１の断面図を示す。流路２２は、被計測流体が流れる通路であり流路２２の上流側には一方の超音波送受波器２３を、流路２２の下流側には他方の超音波送受波器２４が設けられている。この一対の超音波送受波器２３，２４として、実施の形態２で説明した送受波器が用いられている。計時装置２５は、超音波送受波器２４、２５間の超音波の伝搬時間を計測する。演算部２６は、計時装置２５で計測されて伝搬時間に基づいて、被計測流体の流速や流量を演算する。

図中の矢印は流体の流れる方向を、Ｖは流体の流速を、Ｌは超音波送受波器間の距離をそれぞれ示す。角度θは、流体の流れる方向と、上記超音波送受波器間の超音波の伝搬方向との交差角を示す。

この場合、流路２２における超音波送受波器２３は、流れ方向に対して超音波の進行方向が角度θを有するように配置、構成されている。すなわち、図４における角度αが角度θとなるような配置、構成とする。他方、超音波送受波器２４は、超音波送受波器２３と同じ構成のものを用い、超音波送受波器２４と対向する向きで、流れ方向に関し、左右を逆にした状態での配置となる。

このような構成の超音波流量計２１において、簡単に動作を説明する。一方の超音波送受波器２３を超音波の送信器として動作させ、他方の超音波送受波器２４を超音波の受信器として動作させる。超音波送受波器２３から２４への超音波の伝搬時間をＴｕｄとし、超音波送受波器２４から２３への超音波の伝搬時間をＴｄｕとすると、流速Ｖは、伝搬時間逆数差法により次式にて求められる。

Ｖ ＝［Ｌ／２ｃｏｓθ］・［（１／Ｔｕｄ）－（１／Ｔｄｕ）］ （１）
式（１）より、超音波送受波器間の距離Ｌと、交差角θとが、既知であれば、計時装置２５で、伝搬時間ＴｕｄおよびＴｄｕを計測すれば、流速Ｖを求めることができる。この流速Ｖに演算部２６を用いて、流路２２の流路断面積Ｓと、補正係数ｋとを乗じると、次式により流量Ｑが得られる。

Ｑ ＝ ｋ・Ｓ・Ｖ （２）
このようにして、流体の流速Ｖと流量Ｑを計測することができ、流速計あるいは流量計として機能する。

実施の形態３に示した超音波流量計では、超音波を超音波送受波器の超音波送出面に対し、角度θで、送出可能であるため、超音波送出面を流路２２の流路内壁面と面一にすることができる。このため、従来の様に超音波送受波器を流れに対して傾斜して取りつける必要がないため、超音波送受波器の前方に生じていた凹部（例えば、特許文献１として示した公報の図７を参照）をなくすことができる。よって、凹部による渦などの発生がなくなり、誤差の少ない高精度な流量計測が可能となる。

以上のように、本発明の振動伝搬部材は、振動伝搬部材に複数の膜構造を構成し、複数の膜構造の振動に位相差を発生させ、位相差により、超音波の進行方向を任意の角度に設定可能とすることにより、少ない部品点数で超音波の指向性制御を行うことができる。

また、その振動伝搬部材に圧電体を取付け超音波送受波器として超音波流量計に適用することにより超音波送受波器を管壁と面一に取付けた誤差の少ない流量計を構成することができるため、各種超音波流量計や、その応用製品であるガスメータや、水道メータなど精度が求められる流量計測に幅広く使用することができる。

１、５１ 振動伝搬部材
２、５２ 天板
３、５３ 底板
４、５ 側壁
６ａ、６ｂ 隔壁
７ａ、７ｂ 隔壁
８ａ、８ｂ 隔壁
１２、１３、１４ 膜構造
１５ 送受波器
１６ 振動体
２１ 超音波流量計（流速計，流量計）
２２ 流路
２３、２４ 超音波送受波器（送受波器）
２５ 計時装置
２６ 演算部
５４ 中間板（側壁、隔壁）

Claims (4)

1. 振動体の一つの面に接合して動作する振動伝搬部材であって、
   天板と、側壁と、前記天板に対して概垂直に配置した隔壁とで形成され、前記天板と前記隔壁とで形成される複数の膜構造で発生する振動を用い、前記隔壁の厚みを変化させることにより前記複数の膜構造の振動に位相差を発生させ、前記位相差により、前記複数の膜構造より送出される超音波の進行方向を前記天板に対して任意の角度に設定可能とした振動伝搬部材。
2. 前記隔壁は、厚みを順次変化させたことを特徴とする請求項１に記載の振動伝搬部材。
3. 振動体と、前記振動体の一つの面に接合した請求項１または２に記載の振動伝搬部材とを備える送受波器。
4. 被計測流体を通じる流路と、
   前記流路の上流と下流に取り付けられた請求項３項に記載の一対の送受波器と、
   前記送受波器間の超音波の伝搬時間を計時する計時装置と、
   前記計時装置により求めた伝搬時間より、前記被計測流体の流速、流量を演算する演算部と、
   を備える流速計、流量計。

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